Elektrische Netze sind komplex. Die Analyse ihrer Resilienz ist nur mithilfe rechnergestützter Simulationen möglich. Berechnungsprogramme wie PowerFactory bieten Funktionen, welche Resilienz-Analysen und Berechnungen von Resilienz-Indikatoren beinhalten bzw. für diese Zwecke verwendet werden können oder die Grundlage bilden.
In diesem Artikel werden einige dieser Funktionen aus PowerFactory vorgestellt.
Netzunterbrechungsanalyse
Große Kraftwerke sind immer noch von zentraler Bedeutung für die elektrische Energieversorgung. Dabei benötigt das Kraftwerk auch eine eigene Stromversorgung. Ein Risiko bei dem Betrieb wichtiger Kraftwerke ist der mögliche Ausfall der Stromversorgung des Kraftwerks. Externe Störungen im Stromnetz werden üblicherweise als Netzunterbrechungsereignisse bezeichnet; deren Auftretenshäufigkeit wird in probabilistischen Sicherheitsanalysen als Netzunterbrechungshäufigkeit erfasst.
Ein solches Ereignis entspricht im Grunde einer Inselbildung, also der Abkopplung einer Anlage vom öffentlichen Netz. Die Analyse von Netzunterbrechungen in PowerFactory erfolgt über einen frei definierbaren Zeitraum. Dabei legen Gebiete, Zonen oder andere Abgrenzungen fest, welche Anlagenteile in die Untersuchung einbezogen werden.
Mit dem Tool „Netzunterbrechungsanalyse“ von PowerFactory lassen sich die Auswirkungen verschiedener kurzfristiger Störungen – etwa durch ungünstige Wetterbedingungen – untersuchen. Die Netzunterbrechungshäufigkeit wird dabei für Schaltanlagen sowie Ortsnetzstationen ermittelt.
In die Analyse fließen Ausfälle folgender Komponenten ein:
- Leitungen und Kabel
- Transformatoren
- Sammelschienen
- Kompensationsanlagen
Berücksichtigt werden ausschließlich Betriebsmittel, für die verlässliche Ausfalldaten im Hinblick auf die Zuverlässigkeit vorliegen. Darüber hinaus bietet der Netzunterbrechungsanalyse-Befehl verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten, die abhängig von der verfügbaren Datenbasis angepasst werden können.
Das Tool kann automatisch Abhängige Mehrfachfehler (gleichzeitigen Ausfall von zwei oder mehr Komponenten) ermitteln. Jeder abhängige Mehrfachfehler enthält die verschiedenen Komponenten, deren gleichzeitiger Ausfall zu einer Netzunterbrechung des Kraftwerks führen würde.
Als Ergebnis gibt das Tool neben den Abhängigen Mehrfachfehler die Netzunterbrechungshäufigkeit und die Zeit zwischen Netzunterbrechungs-Ereignissen aus. Diese können wiederum als Resilienz-Indikatoren verwendet werden.
Ausfall- und Wiederversorgungsanalyse
Das Tool „Ausfall- und Wiederversorgungsanalyse“ in PowerFactory führt eine Ausfallanalyse durch und ermittelt anschließend Wiederversorgungsmaßnahmen. Es wurde speziell für die Belange im Verteilnetz erstellt.
Die automatische Definition von Ausfällen unter Zuhilfenahme vordefinierter Fehlerfälle aus der Bibliothek (z. B. n-1- oder n-2-Fälle) ermöglicht eine umfassende Analyse potenzieller Ausfallszenarien. Anschließend wird mithilfe eines ausgeklügelten Algorithmus die Versorgung der Kunden (soweit möglich) unter Berücksichtigung von Zweig- und Spannungsbeschränkungen wiederhergestellt. Dies geschieht äußerst effizient mit einer Simulation für alle Ausfälle in einem Szenario. Und das gilt für radiale und vermaschte Netzformen.
Für die Wiederversorgung stehen mehrere zusätzliche Strategien zur Verfügung: Sammelschienen-Transfer, Trennstellenoptimierung und rückwärtige Wiederversorgung. Dabei können nicht nur Spannungs- und Auslastungsgrenzen, sondern auch die maximale Anzahl der Schalthandlungen sowie Lastprioritäten in der Wiederversorgung berücksichtigt werden.
Die Schalthandlungen, die verlorenen und wiederhergestellten Leistungen bei den Kundinnen und Kunden sowie mögliche Überlastungen werden in mehreren tabellarischen Berichten übersichtlich dargestellt. Zusätzlich lassen sich die Schalthandlungen einzelner Ausfälle mittels schrittweiser Ausführung visualisieren (siehe Video zum Artikel), sodass die Wiederherstellungsmaßnahmen grafisch nachvollzogen werden können.
Das Tool kann nun auch dafür genutzt werden, die Netzresilienz zu verbessern. Bereits in der Netzplanung können mögliche Schwachstellen identifiziert werden. Zum Beispiel bei der Planung der umfangreichen Schaltmaßnahmen in einem Verteilnetz (Mittel- und Niederspannung): Das Tool hilft bei der Planung neuer Kabel oder Stationen, die schnelle Wiederversorgung von Kunden durch Schaltmaßnahmen zu maximieren.
Ein Einsatz wäre aber auch im Netzbetrieb denkbar. Bedenkt man die hohe Anzahl von Schaltmaßnahmen, die möglichen betrieblichen Schalthandlungen sowie die möglichen Lastszenarien (Starklastfall, Erzeugerfall, hohe Last und Erzeugung …), ist die optimale Wiederversorgung keine einfache Aufgabe für die Operatoren in den Leitstellen. Das Tool könnte im Falle eines Ausfalls ad hoc eingesetzt werden, um die optimale Wiederversorgungsstrategie zu ermitteln. Es könnten aber auch über Nacht die verschiedensten Szenarien durchgerechnet werden, um im Falle eines Ausfalls sofort reagieren zu können.
Erzeugungszuverlässigkeit
Unter Systemzuverlässigkeit versteht man die Fähigkeit eines Energieversorgungssystems, die erforderliche Last unter sämtlichen möglichen Lastzuständen zuverlässig zu decken. Dabei geht es insbesondere darum, dass die Erzeugungseinheiten die Nachfrage auch unter typischen betrieblichen Randbedingungen erfüllen können, d.h. dass genügend Kraftwerksleistung vorhanden ist.
Zu diesen Randbedingungen zählen unter anderem die eingeschränkte Verfügbarkeit von Erzeugungsanlagen infolge von Störungen oder geplanten Wartungsarbeiten. Ebenso spielen zeitliche Schwankungen der Last – sei es im Monats-, Stunden- oder Minutenbereich – eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus beeinflussen auch die variierenden Einspeisungen aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere aus Windenergie, die tatsächlich verfügbare Erzeugungskapazität.
PowerFactory hat eine Funktion „Erzeugungszuverlässigkeit„, die dafür eine Analyse bietet.
Zuverlässigkeitsanalyse
Simulationen zur Zuverlässigkeitsanalyse werden in der Regel eingesetzt, um die wirtschaftlichen Folgen von Ausfällen einzelner Betriebsmittel in Energieversorgungssystemen zu bewerten. Die daraus gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um Investitionen in Netzausbaumaßnahmen – beispielsweise in fernsteuerbare Schalter, zusätzliche Leitungen oder Transformatoren – zu begründen. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Bewertung von Maßnahmen wie Unterspannungs- oder Lastabwurfsystemen.
Tatsächlich sind Ereignisse wie Naturkatastrophen oder physische Angriffe damit nicht abgedeckt. Versichert sind vielmehr technische Defekte und stochastisch auftretende Ausfälle durch menschliches Versagen.
Dennoch sind bei der Zuverlässigkeitsanalyse, bzw. bei dem Aufbau der Modelle, einige Daten und Ergebnisse vorhanden, die für eine Resilienzanalyse von Bedeutung sind. Siehe auch Ausfall- und Wiederversorgungsanalyse.